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甲烷

甲烷

甲烷的定义甲烷,化学式CH4,是最简单的烃,由一个碳和四个氢原子通过sp3杂化的方式组成,因此甲烷分子的结构为正四面体结构,四个键的键长相同键角相等。在标准状态下甲烷是一无色无味气体。一些有机物在缺氧情况下分解时所产生的沼气其实就是甲烷。它是最简单的有机物,是天然气,沼气,坑气等的主要成分,俗称瓦斯。从理论上说,甲烷的键线式可以表示为一个点“·”,但实际并没有看到过有这种用法,可能原因是“·”号同

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1. 甲烷的定义

甲烷,化学式CH4,是最简单的烃,由一个碳和四个氢原子通过sp3杂化的方式组成,因此甲烷分子的结构为正四面体结构,四个键的键长相同键角相等。在标准状态下甲烷是一无色无味气体。一些有机物在缺氧情况下分解时所产生的沼气其实就是甲烷。它是最简单的有机物,是天然气,沼气,坑气等的主要成分,俗称瓦斯。从理论上说,甲烷的键线式可以表示为一个点“·”,但实际并没有看到过有这种用法,可能原因是“·”号同时可以表示电子。所以在中学阶段把甲烷视为没有键线式。甲烷主要是作为燃料,如天然气和煤气,广泛应用于民用和工业中。作为化工原料,可以用来生产乙炔 、氢气、合成氨、碳黑、硝氯基甲烷、二硫化碳、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氢氰酸等。

2. 甲烷性质

物理性质:

无色、无味、可燃的气体。沸点-161.5℃,熔点-182.5℃。对空气的重量比是0.54,比空气约轻一半。

溶解度很小, 在20℃、0.1千帕时,100单位体积的水,只能溶解3个单位体积的甲烷。

蒸汽压 53.32kPa/-168.8℃

饱和蒸气压(kPa):53.32(-168.8℃)

相对密度(水=1)0.42(-164℃)

相对蒸气密度(空气=1):0.55

燃烧热:890.31KJ/mol

总发热量:55900kJ/kg(40020kJ/m3)

净热值:50200kJ/kg(35900kJ/m3)

临界温度(℃):-82.6

临界压力(MPa):4.59

爆炸上限%(V/V):15

爆炸下限%(V/V):5.3

闪点(℃):-188

引燃温度(℃):538

分子直径0.414nm

化学性质:

通常情况下,甲烷比较稳定,与高锰酸钾等强氧化剂不反应,与强酸、强碱也不反应。但是在特定条件下,甲烷也会发生某些反应。

1、取代反应

甲烷的卤化中,主要有氯化、溴化。甲烷与氟反应是大量放热的,一旦发生反应,大量的热难以移走,破坏生成的氟甲烷,只得到碳和氟化氢。因此直接的氟化反应难以实现,需用稀有气体稀释。碘与甲烷反应需要较高的活化能,反应难以进行。因此,碘不能直接与甲烷发生取代反应生成碘甲烷。但它的逆反应却很容易进行。以氯化为例:可以看到试管内氯气的黄绿色气体逐渐变淡,有白雾生成,试管内壁上有油状液滴生成,这是甲烷和氯气反应的所生成的一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿(或三氯甲烷)、四氯化碳(或四氯甲烷)、氯化氢和少量的乙烷(杂质)的混合物。

CH4+Cl2→(光照)CH3Cl(气体)+HCl

CH3Cl+Cl2→(光照)CH2Cl2(油状物)+HCl

CH2Cl2+Cl2→(光照)CHCl3(油状物)+HCl

CHCl3+Cl2→(光照)CCl4(油状物)+HCl

试管中液面上升,食盐水中白色晶体析出,这是反应中生成的氯化氢溶于水的缘故。因为氯化氢极易溶于水,溶于水后增加了水中氯离子的浓度,使氯化钠晶体析出。用大拇指按住试管管口,提出液面,管口向上,向试管中滴入紫色石蕊试液或锌粒,可验证它是稀盐酸。如果控制氯的用量,用大量甲烷,主要得到氯甲烷;如用大量氯气,主要得到四氯化碳。工业上通过精馏,使混合物一一分开。以上几个氯化产物,均是重要的溶剂与试剂。

2、氧化反应

甲烷最基本的氧化反应就是燃烧:

CH4+2O2→CO2+2H2O

甲烷的含氢量在所有烃中是最高的,达到了25%,因此相同质量的气态烃完全燃烧,甲烷的耗氧量最高。点燃纯净的甲烷,在火焰的上方罩一个干燥的烧杯,很快就可以看到有水蒸气在烧杯壁上凝结。倒转烧杯,加入少量澄清石灰水,振荡,石灰水变浑浊。说明甲烷燃烧生成水和二氧化碳。把甲烷气体收集在高玻璃筒内,直立在桌上,移去玻璃片,迅速把放有燃烧着的蜡烛的燃烧匙伸入筒内,烛火立即熄灭,但瓶口有甲烷在燃烧,发出淡蓝色的火焰。这说明甲烷可以在空气里安静地燃烧,但不助燃。用大试管以排水法先从氧气贮气瓶里输入氧气 2/3 体积,然后再通入1/3 体积的甲烷。用橡皮塞塞好,取出水面。将试管颠倒数次,使气体充分混和。用布把试管外面包好,使试管口稍微下倾,拔去塞子,迅速用燃着的小木条在试管口引火,即有尖锐的爆鸣声发生。这个实验虽然简单,但也容易失败。把玻璃导管口放出的甲烷点燃,把它放入贮满氯气的瓶中,甲烷将继续燃烧,发出红黄色的火焰,同时看到有黑烟和白雾。黑烟是炭黑,白雾是氯化氢气体和水蒸气形成的盐酸雾滴。

3、加热分解

在隔绝空气并加热至1000℃的条件下,甲烷分解生成炭黑和氢气

CH4=(1000℃)=C+2H2

氢气是合成氨及汽油等工业的原料;炭黑是橡胶工业的原料

4、形成水合物

甲烷可以形成笼状的水合物,甲烷被包裹在“笼”里。也就是我们常说的可燃冰。它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等)下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物(碳的电负性较大,在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键,构成笼状结构)。它可用mCH4·nH2O来表示,m代表水合物中的气体分子,n为水合指数(即水分子数)。

可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带,比较难以寻找和勘探。新研制的灵敏度极高的仪器,可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量,由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。

甲烷含量超过99%的天然气水合物又称为甲烷水合物。

3. 甲烷的化学式

CH4

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